鄂爾多斯盆地早奧陶世碳酸鹽巖有機質(zhì)研究

汪健+黃文輝+傅迷

摘要：沉積盆地中分散有機質(zhì)是油氣生成的物質(zhì)基礎，所生成的油氣的質(zhì)量與數(shù)量取決于盆地內(nèi)分散有機質(zhì)的類型和豐度。有機質(zhì)類型決定烴源巖的質(zhì)量的優(yōu)劣，一個沒有優(yōu)質(zhì)烴源巖的盆地不是一個具有良好前景的含油氣盆地。鄂爾多斯下古生代地層由于受沉積作用和多幕地殼構造的影響，使得研究區(qū)奧陶系碳酸鹽巖有機質(zhì)普遍處于高成熟和過成熟作用階段。鄂爾多斯地區(qū)奧陶紀碳酸鹽巖形成于海相環(huán)境，遠離陸源物質(zhì)供給區(qū)，其有機質(zhì)的生源組成屬腐泥類，干酪根類型應歸為Ⅰ型為主。通過研究區(qū)碳酸鹽巖類型熱解分析結(jié)果得到研究區(qū)有機質(zhì)類型為Ⅲ型，一般認為是高演化程度造成的。為了研究導致碳酸鹽巖有機質(zhì)類型與其生源不一的原因，需要排除熱演化的干擾，對有機質(zhì)類型進行恢復，將結(jié)果進行具體分析。本文旨在通過恢復有機質(zhì)類型，對研究區(qū)碳酸鹽巖有機質(zhì)類型轉(zhuǎn)化的因素進行系統(tǒng)的研究。

關鍵詞：碳酸鹽巖；有機質(zhì)類型；有機質(zhì)恢復

中圖分類號：P618文獻標志碼：A文章編號：1672-1098（2016）01-0013-06

Abstract：Dispersed organic matter in sedimentary basins is the material base of oil and gas production， the quality and quantity of oil and gas produced depend on the type and abundance of the dispersed organic matter in the basins. Organic matter types determine the quality of source rocks， and a basin without good source rocks is not an oil and gas bearing basin with good prospect. Due to the influence of sedimentation and multiphase tectonic effects on lower Paleozoic strata in Ordos， in Ordovician carbonate rocks organic matter is generally in high mature and over mature stage. The Ordovician carbonate rocks in Ordos area formed in a marine environment， which are far away from the terrigenous material supply area， the organic matter source composition belongs to a kind of sapropelic kerogen， which should be mainly classified as type I. By the analysis of the type of carbonate rocks in the studied area， the type of organic matter in the studied area is type III， which is generally considered as a high degree of evolution. In order to study the reasons of different types of organic matter in carbonate rocks and their origin， it is needed to eliminate the interference of thermal evolution and recover the type of organic matter and make a concrete analysis of the results. The aim of this paper is to study the factors of the transformation of organic matter in carbonate rocks in the studied area by recovering the type of organic matter.

Key words：carbonate rocks；organic matter type；organic matter recovery

1區(qū)域地質(zhì)概況

鄂爾多斯地區(qū)橫跨陜、甘、寧、蒙、晉五?。▍^(qū)），是中國東部構造域和西部構造域的結(jié)合部，位于華北、華南兩大地質(zhì)單元的交界附近。大構造上研究區(qū)屬于中朝準臺地的一部分，是一個發(fā)育有多種類型沉積，多種沉積體系的大型沉積盆地，其古生代地層分布的范圍為：北界巴彥高勒-托克托大斷裂，西界石咀山-甜水堡-平?jīng)鰯嗔?，南界乾縣-韓城-河津斷裂，東界離石斷裂，面積約23萬平方公里。早古生代該區(qū)表現(xiàn)為穩(wěn)定的升降運動，在陸塊內(nèi)部形成典型的克拉通坳陷，從寒武紀到早奧陶世中部以穩(wěn)定地臺型碳酸鹽巖沉積為主，西部毗鄰秦祈地槽，發(fā)育臺地邊緣相、斜坡相和盆地相[1-2]（見圖1）。圖1鄂爾多斯盆地沉積相分布圖

鄂爾多斯地區(qū)下古生界只有寒武系和奧陶系，缺失志留系[3-4]。寒武系與奧陶系東部為連續(xù)沉積，在西緣和南緣存在沉積間斷，奧陶系下統(tǒng)冶里組和亮甲山組只在東部、南部及西部賀蘭山地區(qū)有分布。奧陶系下統(tǒng)與中統(tǒng)之間存在沉積間斷，中統(tǒng)平?jīng)鼋M只在西緣和南緣分布，本區(qū)內(nèi)部缺失。奧陶系中統(tǒng)與上統(tǒng)之間也存在沉積間斷，奧陶系上統(tǒng)只分布在南緣和北緣。

2有機質(zhì)生源類型

碳酸鹽巖有機質(zhì)主要來源于單細胞微體浮游藻類，它們形成了早奧陶世海洋中食物鏈的基礎并成為生命演化的主導，存在于碳酸鹽巖臺地的各類環(huán)境中。由于保存環(huán)境不同，所保存的藻類殘體的數(shù)量不同，遭受微生物降解的程度不同，再加上后期的氧化程度也不同，導致碳酸鹽巖中有機質(zhì)的類型不同。奧陶系碳酸鹽巖遠離陸源物質(zhì)供給區(qū)，形成于海相環(huán)境，其主要有機質(zhì)輸入物是富含脂類和蛋白質(zhì)的藻類、菌類以及海洋動物等[5-15]。

在研究區(qū)的瀉湖、膏云坪、泥云坪相碳酸鹽巖中發(fā)現(xiàn)較多的菌藻類。菌藻類具有耐鹽、耐高滲透壓性，易存在高鹽度的咸水水體中，這種高鹽度的環(huán)境限制了動物群的繁殖和變異，沒有捕食藻類的動物存在，使藻類群落廣泛生長繁殖，其消耗量達到最小。蒸發(fā)臺地的膏云坪環(huán)境細菌的繁衍繁盛，微生物有機質(zhì)是最好的生油母質(zhì)，它們是Ⅰ型有機質(zhì)的母質(zhì)來源。

研究區(qū)碳酸鹽巖有機質(zhì)的組成主要是菌藻類、動物有機碎屑以及被細菌降解的腐泥基質(zhì)。在碳酸鹽巖的晶間孔或晶間溶孔中還有碳瀝青。根據(jù)碳酸鹽巖中的生物化石組合和有機顯微組分的組成特征，可以說明奧陶紀碳酸鹽巖中有機質(zhì)的生源組成屬腐泥類，其干酪根類型有Ⅰ型和Ⅱ型。

3有機質(zhì)類型確定

巖樣熱解分析資料是一種評價烴源巖有機質(zhì)類型的有效方法。運用氫指數(shù)（IH）、類型指數(shù)（S2/S3）和降解率（D）劃分烴源巖有機質(zhì)類型是一種簡便而又有效的方法（見表1）。

研究區(qū)現(xiàn)存的碳酸鹽巖干酪根類型屬Ⅲ型，經(jīng)恢復之后與生源類型相比有機質(zhì)類型下降了一級。導致碳酸鹽巖有機質(zhì)類型與其生源不一的原因可以有兩種解釋[29-32]。一是高度氧化而使類型轉(zhuǎn)化，二是高度演化使類型轉(zhuǎn)變。若屬于后者，那么原來干酪根是屬Ⅱ型或Ⅰ裥？，在熱演化過程中逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)棰笮?。無論是熱演化還是氧化，基本點都是有機質(zhì)的官能團脫落，芳核增大，不同類型有機質(zhì)最終都變?yōu)棰笮透衫腋ｏ@微結(jié)構鏡質(zhì)組向惰質(zhì)組轉(zhuǎn)化是增碳和芳構化過程，是在氧化條件下進行的，同樣，海相藻質(zhì)體也是可以在氧化條件下向“惰質(zhì)體”轉(zhuǎn)化，變?yōu)棰笮透衫腋?。淺水臺地中發(fā)育的顆粒碳酸鹽巖中部分藻團粒、團塊包裹的有機質(zhì)由于受到包殼的保護而保持為Ⅱ型干酪根。

研究區(qū)沉積相分析表明，早奧陶世全區(qū)總體為淺水碳酸鹽巖臺地，水體很淺。由于各地所處環(huán)境的“開放性”不同，造成氧化還原條件不同，導致有機質(zhì)受氧化作用影響程度不同，恢復后有機質(zhì)類型也不同。

早奧陶世馬家溝期之后，全區(qū)抬升暴露于地表，長期遭受風化剝蝕、大氣淡水淋濾和向下滲流，埋藏在地下的巖石也因古巖溶作用而遭氧化，特別是在隆起區(qū)兩側(cè)碳酸鹽巖中出現(xiàn)很多經(jīng)受氧化的標志（見表5）：黃鐵礦被氧化為褐鐵礦，巖石中普遍有褐鐵礦浸染的黃鐵礦假晶；大氣淡水淋濾和滲流出現(xiàn)了許多去云化和去膏化的現(xiàn)象；巖石中出現(xiàn)許多溶孔、溶縫和溶蝕的現(xiàn)象。表5碳酸鹽巖經(jīng)受暴露之后的氧化標志

有機相氧化礦物溶蝕孔洞縫去云化去膏化 瀉湖褐鐵礦、黃鐵礦、假晶裂縫中有鐵質(zhì)和粘土充填方解石充填于裂縫中 膏云坪褐鐵礦、次生粘土、白云石晶間被氧化、鐵浸染、具黃鐵礦石膏假晶許多大小不等01-07mm溶孔，中心大多無礦物充填溶孔邊緣見白云石未溶盡的殘余，并被鐵質(zhì)浸染石膏假晶，被方解石交代，高溶角礫 潮渠褐鐵礦、膏溶角礫、石膏假晶溶蝕的孔洞縫與構造裂隙相連，沿裂隙有鐵質(zhì)浸染，溶蝕孔洞中有方解石殘余 泥云坪褐鐵礦 灰云坪次生方解石、次生粘土、黃鐵礦假晶、褐鐵礦白云石晶間溶蝕，有鐵質(zhì)浸染，晶?？住⒋紊芸装l(fā)育方解石充填于晶間、裂縫溶孔中，由表生作用形成殘留白云石 潮下淺水黃鐵礦假晶白云石被次生方解石交代，受地表淡水影響

研究區(qū)早奧陶世碳酸鹽巖沉積物在沉積-成巖階段的強氧化作用，促使其干酪根類型轉(zhuǎn)化，此后在熱演化程度達到高成熟階段，又使有機質(zhì)類型降級，成為目前實測的Ⅲ型干酪根。沉積-成巖階段的氧化作用是促使干酪根類型轉(zhuǎn)化的主要因素之一，而有機質(zhì)的高演化程度則使各類有機質(zhì)之間差別縮小，趨向均一化，Ⅱ型干酪根向Ⅲ型干酪根轉(zhuǎn)化。

6結(jié)論

研究區(qū)碳酸鹽巖有機質(zhì)類型實驗結(jié)果為Ⅲ型，這是由于生源組成、沉積與成巖作用和高熱演化等多種作用綜合影響所致。如果排除熱演化的干擾，所恢復的有機質(zhì)類型則反映出不同條件下形成不同的有機質(zhì)類型。

研究區(qū)干酪根類型由Ⅱ型轉(zhuǎn)變?yōu)棰笮偷闹鲗б蛩卦诓煌貐^(qū)可以是不同的。沉積環(huán)境充氧或受大氣淡水淋濾滲透影響大的地區(qū)，碳酸鹽巖類型在未成熟階段已轉(zhuǎn)為Ⅲ型，如天1井、天2井分布區(qū)，陜參1井附近。受大氣淡水影響小的地區(qū)在未成熟階段干酪根類型已轉(zhuǎn)變?yōu)棰蛐停珀?7井。前者大多分布在隆起區(qū)的外側(cè)邊緣，后者則分布在局限臺地。淺水臺地中發(fā)育的顆粒碳酸鹽巖中部分藻團粒、團塊包裹的有機質(zhì)由于受到包殼的保護而保持為Ⅱ型干酪根。

在沉積和成巖過程中經(jīng)受過強烈氧化作用改造的碳酸鹽巖，其有機質(zhì)類型為Ⅲ型，如開闊海、灰云坪相的碳酸鹽巖有機質(zhì)；如未經(jīng)過后期強烈演化，保持還原條件的沉積成巖環(huán)境，碳酸鹽巖有機質(zhì)則為Ⅱ型，如膏云坪泥云坪等沉積相高能淺灘環(huán)境的碳酸鹽巖有機質(zhì)也可為Ⅱ型。

參考文獻：

[1]萬延周. 鄂爾多斯西緣奧陶系烴源巖及儲蓋層特征研究[D]. 西北大學，2009.

[2]蒲磊. 鄂爾多斯南緣奧陶系構造沉積演化研究[D]. 西北大學，2009.

[3]辛勇光，周進高，鄧紅嬰. 鄂爾多斯盆地南部下奧陶統(tǒng)馬家溝組沉積特征[J]. 海相油氣地質(zhì)，2010，15（04）：01-05.

[4]許強. 鄂爾多斯盆地西、南緣奧陶系馬家溝組沉積體系[D]. 成都理工大學，2010.

[5]劉德漢，付金華，鄭聰斌，等. 鄂爾多斯盆地奧陶系海相碳酸鹽巖生烴性能與中部長慶氣田氣源成因研究[J]. 地質(zhì)學報，2004，78（04）：542-550.

[6]RAISWELLR，BUXKLEY F. Degree of pyritization of iron as a palaeoenvironm ental indicator of bottom-water oxygenation[J]. Journal of Sedimentary Petrology，1988，58（5）：812-819.

[7]陳踐發(fā)，張水昌，孫省利，等. 海相碳酸鹽巖優(yōu)質(zhì)烴源巖發(fā)育的主要影響因素[J]. 地質(zhì)學報，2006，80（03） ：467-472.

[8]程克明，王兆云. 高成熟和過成熟海相碳酸鹽巖生烴條件評價方法研究[J]. 中國科學（D輯：地球科學），1996，20（06）：537-543 .

[9]程克明，王兆云，熊英，等. 中國海相碳酸鹽巖的生烴研究[J]. 海相油氣地質(zhì)，1999，4（04）：1-12.

[10]王杰，陳踐發(fā). 海相碳酸鹽巖烴源巖的研究進展[J]. 天然氣工業(yè)，2004，24（08）：21-23.

[11]HUGHESW B，HOLBA A G，DZOU L I. The ratios of dibenzothiophene to phenanthrene and pristane to phytane as indicators of depositional environment and lithology of petroleum source rocks[J]. Geochimicaet Cosmochimica Acta，1995，59（17）：3 581-3 598.

[12]DIDYK B M，SMONEIT B R T，BRASSELL S C，etal. Organic geochemical indicators of palaeo-environmental conditions of sedimentation[J]. Nature，1978，272（5 650）：216-222.

[13]梁狄剛，張水昌，張寶民，等. 從塔里木盆地看中國海相生油問題[J]. 地學前緣，2000，7（04）：534-547.

[14]趙文智，汪澤成，張水昌，等. 中國疊合盆地深層海相油氣成藏條件與富集區(qū)帶[J]. 科學通報，2007，9（S1）：9-18.

[15]英亞歌. 淺談海相碳酸鹽巖地層與油氣成藏[J]. 科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，2010，20（10）：154-156 .

[16]朱創(chuàng)業(yè)，張壽庭. 鄂爾多斯盆地馬家溝組碳酸鹽巖有機質(zhì)特征及烴源巖研究[J]. 成都理工學院學報，1999，26（03）：217-220 .

[17]JOHNSSON M J，HOWELL D G，BIRD K J. Thermal maturity pat-terns in Alaska：implications for tectonic evolution and hy-drocarbon potential[J]. AAPG Bulletin，1993， 77 （11）：1 874-1 903.

[18]LORANT F，BEHAR F，VANDENBROUCKE M. Methane generation from methylated aromatics：Kinetic study and carbon isotope modeling[J]. Energy&Fuels，2000，14：1 143-1 155.

[19]王銅山，耿安松，李霞，等. 海相原油瀝青質(zhì)作為特殊氣源的生氣特征及其地質(zhì)應用[J]. 沉積學報，2010，28（04）：808-814 .

[20]PARNELL J，MONSON B，GENG A. Maturity and petrography ofbitumens in the Carboniferous of Ireland[J]. International Journalof Coal Geology. 1996，29（1）：23-38.

[21]郝芳，姜建群，鄒華耀，等. 超壓對有機質(zhì)熱演化的差異抑制作用及層次[J]. 中國科學（D輯：地球科學），2004，34 （05）：443-451.

[22]曾凡剛，程克明. 下古生界海相碳酸鹽巖干酪根成熟度研究方法[J]. 地學前緣，2000，7（S2）：249-254 .

[23]張水昌，梁狄剛，張大江. 關于古生界烴源巖有機質(zhì)豐度的評價標準[J]. 石油勘探與開發(fā)，2002，（02）：8-12 .

[24]PETTERS K E，ROHRBACK B G，KAPLAN I R.Carbon and hydrog stable isotope variation in kerogen during laboratorysimulated thermal maturation[J]. AAPG Bulletin，1981，65：501-508.

[25]崔鵬. 烴源巖有機質(zhì)豐度恢復方法綜述 [J]. 斷塊油氣田，2007，14（05）：15-17.

[26]范明，秦建中，張渠. 松潘阿壩地區(qū)烴源巖有機質(zhì)熱演化特征[J]. 沉積學報，2006，24（03）：440-445 .

[27]秦建中，鄭倫舉，騰格爾. 海相高演化烴源巖總有機碳恢復系數(shù)研究[J]. 地球科學：中國地質(zhì)大學學報，2007，32（06）：853-860.

[28]JOHNSSON M J，HOWELL D G，BIRD K J. Thermal maturity pat-terns in Alaska：implications for tectonic evolution and hy-drocarbon potential[J]. AAPG Bulletin，1993，77（11）：1 874-1 903.

[29]秦建中，騰格爾，楊琦，等. 川東地區(qū)海相高演化層系的成熟度指標研究[J]. 石油學報，2009，30（02）：208-213.

[30]肖賢明，吳治君，劉德漢，等. 早古生代海相烴源巖成熟度的有機巖石學評價方法[J]. 沉積學報，1995（02）：112-119.

[31]秦建中. 羌塘盆地有機質(zhì)熱演化與成烴史研究[J]. 石油實驗地質(zhì)，2006，28（04）：350-358.

[32]李艷紅，金奎勵. 烴源巖成熟度評價指標及選取[J]. 地質(zhì)地球化學，2000，28（02）：94-96 .